Родилась 24 апреля (6 мая по новому стилю) 1889 года в имении Красновидово (село Ивановское, Московская губерния) в семье богатого предпринимателя.
Первые уроки рисования Л. Попова брала у художника К. М. Орлова, который был другом её семьи.
В 1906 году она переехала в Москву, где получила среднее образование. В 1908 году Попова брала частные уроки в художественной школе Константина Юона.
В 1910 году Любовь Попова поехала в Италию, где брала частные уроки живописи.
В 1912 году — посетила Париж.
Попова увлеклась супрематизмом, стала членом группы Казимира Малевича Супремус, вместе с другими художниками-супрематистами работала в селе Вербовке и Скопцы.
23 мая 1924 года умер от скарлатины её сын, Любовь Сергеевна Попова умерла 25 мая 1924 года в Москве, также от скарлатины. Похоронена на Ваганьковском кладбище.
В декабре того же года в Москве состоялась персональная выставка работ художницы, одного из ярких представителей русского авангарда в изобразительном искусстве.
Человек + воздух + пространство. 1912
Портрет философа, 1915
Натюрморт с гитарой, 1915